研究人员利用废弃物及副产品替代传统胶凝材料和骨料，以应对天然河砂与岩石集料资源有限的问题，并推动建筑材料的可持续发展。本研究采用废弃低密度聚乙烯（LDPE）与燃煤副产物粉煤灰（CFA）制备可持续砖材，并通过酸处理对碳纳米管（CNT）进行功能化改性，以提高其在砖体中的分散性。实验结果表明，随着CNT掺量由0.01 wt%增至0.1 wt%，砖体的抗压强度由11 MPa提升至25 MPa，所有样品的抗压强度和劈裂抗拉强度均超过行业标准要求的4 MPa和1.2 MPa。CNT的增强机制主要包括桥接效应与微孔填充作用，从而改善砖体的微观结构致密性，实现裂纹偏转而非微裂纹扩展。致密化结构同时降低了砖体的孔隙率，进而减少吸水率和变形。综合分析表明，本研究中CNT的最佳掺量为0.05 wt%。
研究背景与意义
在建筑行业可持续发展的需求背景下，天然集料资源逐渐枯竭，传统水泥基材料生产过程碳排放高，促使研究者探索废弃物资源化利用的新途径。粉煤灰（Coal Fly Ash, CFA）作为燃煤电厂的副产物，年产量巨大，且具备潜在胶凝活性；废塑料尤其是低密度聚乙烯（Low-Density Polyethylene, LDPE）因难降解而成为环境负担。将两者复合制备无水泥聚合物混凝土砖，不仅能减轻环境负荷，还可降低砖体密度，提高施工效率。然而，此类复合体系常因界面结合弱、微孔缺陷多而导致力学性能不足。碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）因其高比强度和高比模量，被视为理想的纳米增强材料，但其易团聚、分散性差的问题限制了应用。因此，本研究旨在通过酸功能化改性的多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）增强全废弃物基LDPE/CFA砖，并系统评价其力学、耐久及微观结构性能。该研究成果发表于《Next Materials》。
主要技术方法概述
研究人员选用南非Lethabo电站的Class F级粉煤灰（SiO2+Al2O3+Fe2O3>70%，烧失量LOI=1.91%），原料LDPE来自Whole Earth回收公司。MWCNTs采用浮动催化化学气相沉积法合成，经33%硝酸回流处理以提高分散性。砖体制备采用热混法：LDPE在140 ℃熔融后加入预先球磨混合的CFA与CNTs（乙醇介质，氩气保护），混合均匀后于40 MPa压力下成型，并在室温养护至测试龄期。研究通过调控CFA:LDPE比例确定最佳配比，随后在不同CNT掺量（0、0.01、0.05、0.1 wt%）下进行性能评估。检测手段包括抗压强度（ASTM C67）、劈裂抗拉强度（ASTM C1006–07）、密度与孔隙率（气体比重法）、扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）、水吸收与变形测试（ASTM 607）、酸碱腐蚀耐久性实验，并采用Halpin-Tsai模型预测CNT的理论增强效果。
研究结果
3.1 抗压强度
通过配比优化，确定85:15（CFA:LDPE）为最佳质量比，兼顾工作性与强度。无CNT对照组在养护28天后的抗压强度为12.1 MPa，且强度增长在14天后趋于稳定，不同于水泥基砖的持续水化增长模式。CNT掺量增加显著提升抗压强度，从11.9 MPa（0 wt%）升至25.4 MPa（0.1 wt%），其中0.05 wt%组达22.4 MPa。0.1 wt%组因CNT团聚导致数据离散增大。所有含CNT砖均超过多层建筑用砖的强度标准（≥10 MPa）。
3.2 劈裂抗拉强度
随CNT掺量增加，劈裂抗拉强度由3.2 MPa（对照）提升至9.8 MPa（0.1 wt%）。裂纹长度与宽度随CNT增加而减小，0.05 wt%与0.1 wt%组的裂纹出现偏转，未延伸至砖体边缘，体现了CNT的桥接阻裂效应。所有样品均满足ASTM C16对最低抗拉强度（≥1.2 MPa）的要求。
3.3 密度与孔隙率
砖体平均尺寸符合南非标准，质量约2.5 kg，低于普通黏土砖（3.0–3.5 kg）。密度随CNT掺量从1.547 g/cm3增至1.632 g/cm3，孔隙率从15.75%降至5.22%，显著低于传统黏土砖（15%–40%）。致密化归因于CNT的微孔填充作用。
3.4 微观结构分析
SEM显示对照组存在大量孔隙，而0.01 wt%与0.05 wt% CNT组分散均匀，形成有效桥接；0.1 wt%组出现团聚。Halpin-Tsai模型预测在理想分散条件下，0.05 wt% CNT可提升刚度约95%，实际实验强度提升达88%，表明除弹性传递外，还存在裂纹偏转、CNT拔出等增韧机制。
3.5 表面元素分布
SEM-EDS结果显示CNT在低掺量时分散均匀，高掺量时出现局部富集，与力学性能变化一致。由于基质中碳来源多样（LDPE与CFA中残碳），无法直接量化CNT分散指数，需结合形貌与性能间接评价。
3.6 吸水与变形
所有砖体14天水吸收率低于3.5%，远低于黏土砖（4.5%–21%）与混凝土砖（7%–10%）。CNT掺量增加进一步降低吸水率与湿胀应变，最高应变约260微应变，处于混凝土砖允许范围内。
3.7 化学侵蚀
在5%硫酸与5%硫酸钠溶液中浸泡28天后，含CNT砖的耐酸性与耐碱性均优于对照组，0.05 wt%组耐酸性与耐碱性分别达0.93%与0.97%。CNT通过致密化结构阻碍侵蚀介质渗透，但0.1 wt%组因团聚导致耐蚀性略降。
讨论与结论翻译
研究发现，MWCNT掺量在0.01–0.1 wt%范围内显著提升了全废弃物基砖的力学强度与耐久性。强度增长主要源于CNT的桥接效应与微孔填充作用，使砖体微观结构致密化，从而实现裂纹偏转并抑制扩展。养护14天后强度基本稳定，所有含CNT砖均超过工业标准要求。0.05 wt%为最佳掺量，兼具均匀分散与显著增强效果。低吸水率、低变形及良好的耐化学腐蚀性表明该类砖适合作为传统建材的环保替代品。
